導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇半導(dǎo)體制備技術(shù)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

1、半導(dǎo)體制冷技術(shù)

1.1、工作原理

半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于珀耳帖原理，即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時(shí)，在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量，而另一個(gè)接頭處則吸收熱量，且珀耳帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時(shí)，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)。

1.2、半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm3小的制冷器；重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，工作中無(wú)噪音，無(wú)液、氣工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過(guò)載條件下，均能夠正常地工作。而且作用速度快，使用壽命長(zhǎng)，且易于控制。

半導(dǎo)體制冷片正常工作時(shí)，冷端制冷的同時(shí)需要在熱端進(jìn)行有效的散熱，需要散去的熱量包含珀耳帖效應(yīng)釋放的熱量和制冷片本身的焦耳熱。這個(gè)熱量遠(yuǎn)比冷端的吸熱量大。所以導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷片的效率較低。而且，對(duì)半導(dǎo)體制冷片熱端的散熱一般要采用主動(dòng)散熱。

因此，半導(dǎo)體制冷技術(shù)較適合應(yīng)用于封閉的小型空間的冷卻。

2、方案確立

冷卻裝置必須可以安裝在自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)部。因此，設(shè)計(jì)、組裝出來(lái)的整個(gè)裝置尺寸應(yīng)合適，如果太小，則冷卻效果不明顯；太大，則無(wú)法安裝在屏柜內(nèi)部。經(jīng)過(guò)在網(wǎng)上查閱有關(guān)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的相關(guān)資料后，制定了設(shè)計(jì)、組裝方案：將多片半導(dǎo)體制冷片拼在一起，使其制冷面積增大，同時(shí)散熱端使用尺寸較大的散熱器和散熱風(fēng)扇，以確保其散熱性能良好。冷卻端使用比散熱端尺寸小點(diǎn)的散熱器和風(fēng)扇，使其能保持適合溫度，避免出現(xiàn)溫度過(guò)低或者冷卻效率低。

3、現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)

根據(jù)日常變電站自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，及多個(gè)變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)的熱量主要集中在柜內(nèi)頂部，而柜內(nèi)底部的溫度基本與室內(nèi)溫度相當(dāng)。甚至在某些變電站，由于屏柜底部的電纜溝空間較大且密封嚴(yán)實(shí)，能起到很好的保溫效果，使得在屏柜內(nèi)底部測(cè)得的溫度比變電站二次設(shè)備間的溫度要更低。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘查所得的情況，采用1個(gè)直流電源模塊同時(shí)帶2臺(tái)半導(dǎo)體冷卻裝置的運(yùn)行方式，將冷卻裝置安裝在交換機(jī)柜內(nèi)頂部，將電源模塊放置在屏柜底部。使用適當(dāng)數(shù)量和長(zhǎng)度的角鋼在柜內(nèi)頂部搭建一個(gè)支架，將冷卻裝置固定在支架上。利用冷、熱空氣相互對(duì)流的原理，使冷卻端產(chǎn)生的冷空氣往柜內(nèi)底部流動(dòng)，熱空氣向上升并通過(guò)頂部散熱孔排出屏柜，從而使屏柜內(nèi)溫度整體下降，達(dá)到為柜內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備降溫的目的。

4、運(yùn)行情況分析

為了盡可能的獲得自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)部的各個(gè)部位的溫、濕度，分別在屏柜內(nèi)的上部、中部和下部分別放置了溫、濕度計(jì)。另外在屏柜外也放了一個(gè)，以獲取屏柜外部的環(huán)境溫度。并在冷卻裝置安裝完成后未投入運(yùn)行前，先進(jìn)性了溫度抄錄。

由于一天當(dāng)中的各個(gè)時(shí)段溫度不同，會(huì)影響屏柜外部的環(huán)境溫度，進(jìn)而影響到屏柜的內(nèi)部溫度，尤其屏柜內(nèi)上部的溫度。因此，在記錄溫度時(shí)盡可能的選擇在每一天的同個(gè)時(shí)段進(jìn)行，以盡可能的減少外部溫度變化帶來(lái)的影響。

通過(guò)圖1可看出，在冷卻裝置投入使用后，屏柜內(nèi)中、上部的溫度有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)，尤其是頂部的溫度，前后溫差高達(dá)15X2。冷卻效果較為明顯。而底部溫度仍與冷卻裝置運(yùn)行前情況基本相同，與屏柜外部環(huán)境溫度大致相持。

證明冷卻裝置運(yùn)行所取得的效果與項(xiàng)目預(yù)期效果相同。

5、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)在變電站自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)其可解決用于變電站自動(dòng)化設(shè)備屏柜內(nèi)部的設(shè)備因運(yùn)行溫度過(guò)高導(dǎo)致的死機(jī)、故障、甚至整個(gè)裝置失效等重大、緊急缺陷。嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全和供電可靠性。

另外，二次O備的長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境運(yùn)行也容易導(dǎo)致其生命周期降低，增加相應(yīng)的運(yùn)維成本。該半導(dǎo)體冷卻裝置主要有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）安裝方便，可靈活運(yùn)用；

篇2

本書(shū)將從物理、技術(shù)和設(shè)備操作方面對(duì)使用硅及相關(guān)合金制備的光子器件進(jìn)行概述，包括以下內(nèi)容：1硅光子學(xué)概述，從介紹VLSI的發(fā)展過(guò)程以及存在的問(wèn)題出發(fā)引出本書(shū)將要講述的內(nèi)容；2硅的基本性能，介紹了硅能帶結(jié)構(gòu)、狀態(tài)密度函數(shù)和雜質(zhì)，并講述了硅基異質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)；3量子結(jié)構(gòu)，對(duì)量子阱、量子線和點(diǎn)、超晶格、Si基量子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了講述；4光學(xué)過(guò)程，主要講述了半導(dǎo)體中相關(guān)光學(xué)過(guò)程基本理論，包括光學(xué)常數(shù)、基本概念以及光吸收、發(fā)射等理論；5量子結(jié)構(gòu)中的光學(xué)過(guò)程，主要講述量子井、量子線和量子點(diǎn)這些納米結(jié)構(gòu)中的光學(xué)過(guò)程的基本原理；6硅光發(fā)射器，主要講述了半導(dǎo)體發(fā)光基本原理，以及具體半導(dǎo)體光發(fā)射器，并對(duì)激發(fā)光發(fā)射進(jìn)行展望；7硅光調(diào)制器，主要講述了光調(diào)制相關(guān)的一些基本物理效應(yīng)以及硅的電折射效應(yīng)和熱光效應(yīng)，介紹了光調(diào)制器一些特性以及相關(guān)的光、電結(jié)構(gòu)，最后講述了高帶寬光調(diào)制器；8硅光電檢測(cè)器，介紹了光電檢測(cè)器原理以及重要性質(zhì)，講述了一些具體的光電檢測(cè)器；9拉曼激光，主要講述了拉曼激光的概念、簡(jiǎn)化理論、硅的拉曼效應(yīng)，并對(duì)拉曼系數(shù)進(jìn)行了介紹，最后具體講述了一種連續(xù)波拉曼激光；10導(dǎo)光波導(dǎo)言，介紹了光導(dǎo)的射線光理論以及反射系數(shù)，講述了集中具體的波導(dǎo)：平面波導(dǎo)模型、光導(dǎo)波理論、3D光波導(dǎo)，最后講述了波導(dǎo)損耗、波導(dǎo)與光器件的耦合；11平面波導(dǎo)器件原理，講述了平面波導(dǎo)耦合模型、直接耦合器、分布式布拉格反射鏡，并具體講述了一些平面波導(dǎo)器件；12用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)的波導(dǎo)，主要講述了陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性，介紹了提高陣列波導(dǎo)光柵性能的方法，列舉了具體應(yīng)用；13制備工藝及材料系統(tǒng)，主要講述了光電子器件制備的主要工藝及材料處理方法。

本書(shū)描繪了硅光子學(xué)器件的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，并深入講述了硅光子學(xué)現(xiàn)在發(fā)展以及展望了硅光子學(xué)未來(lái)，可以作為高等院校高年級(jí)本科生和研究生的教材和參考書(shū)，也可作為半導(dǎo)體光子學(xué)、光電集成、光電子器件、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)光互連及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員的參考書(shū)。

作者M(jìn). Jamal Deen是加拿大McMaster大學(xué)的教授， IEEE Transactions on Electron Devices的編輯，F(xiàn)luctuations and Noise Letters的執(zhí)行編輯，加拿大皇家學(xué)會(huì)會(huì)士，加拿大工程院院士， IEEE院士， 美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士。他目前的研究領(lǐng)域是：微米納米電子學(xué)、光電子學(xué)及其在生命和環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用。

篇3

GaN、AlN、InN及其合金等材，是作為新材料的GaN系材料。對(duì)襯底材料進(jìn)行評(píng)價(jià)要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是發(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標(biāo)。評(píng)價(jià)襯底材料要綜合考慮襯底與外延膜的晶格匹配、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配、襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配、材料制備的難易程度及成本的高低的因素。InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來(lái)講有廣泛應(yīng)用的。自支撐同質(zhì)外延襯底的研制對(duì)發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氮化物半導(dǎo)體激光器、大功率高亮度半導(dǎo)體照明用LED，以及高功率微波器件等是很重要的?！暗镆r底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開(kāi)發(fā)”文稿介紹了氮化物襯底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開(kāi)發(fā)的部分內(nèi)容。

氮化物襯底材料與半導(dǎo)體照明的應(yīng)用前景

GaN是直接帶隙的材料，其光躍遷幾率比間接帶隙的高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，寬帶隙的GaN基半導(dǎo)體在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光器和紫外探測(cè)器，以及高溫微電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景；對(duì)環(huán)保，其還是很適合于環(huán)保的材料體系。

1994年，日本的Nicha公司在GaN/Al2O3上取得突破，1995年，GaN器件第一次實(shí)現(xiàn)商品化。1998年，GaN基發(fā)光二極管LED市場(chǎng)規(guī)模為US$5.0億，2000年，市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大至US$13億。據(jù)權(quán)威專(zhuān)家的預(yù)計(jì)，GaN基LED及其所用的Al2O3襯底在國(guó)際市場(chǎng)上的市場(chǎng)成長(zhǎng)期將達(dá)到50年之久。GaN基LED及其所用的Al2O3襯底具有獨(dú)特的優(yōu)異物化性能，并且具有長(zhǎng)久耐用性。預(yù)計(jì)，2005年GaN基器件的市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至US$30億，GaN基器件所用的Al2O3襯底的市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大至US$5億。

半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展分類(lèi)所示的若干主要階段，其每個(gè)階段均能形成富有特色的產(chǎn)業(yè)鏈：

（1）第一階段

第一階段（特種照明時(shí)代，2005年之前），其中有：儀器儀表指示；金色顯示、室內(nèi)外廣告；交通燈、信號(hào)燈、標(biāo)致燈、汽車(chē)燈；室內(nèi)長(zhǎng)明燈、吊頂燈、變色燈、草坪燈；城市景觀美化的建筑輪廓燈、橋梁、高速公路、隧道導(dǎo)引路燈，等等。

（2）第二階段

第二階段（照明時(shí)代，2005~2010年），其中有：CD、DVD、 H-DVD光存儲(chǔ)；激光金色顯示；娛樂(lè)、條型碼、打印、圖像記錄；醫(yī)用激光；開(kāi)拓固定照明新領(lǐng)域，衍生出新的照明產(chǎn)業(yè)，為通用照明應(yīng)用打下基礎(chǔ)，等等。

（3）第三階段

第三階段（通用照明時(shí)代，2010年之后），包括以上二個(gè)階段的應(yīng)用，并且還全面進(jìn)入通用照明市場(chǎng)，占有30~50%的市場(chǎng)份額。

到達(dá)目前為止（處于第一階段，特種照明時(shí)代），已紛紛將中、低功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、綠色LED、白光LED、藍(lán)紫色LED等實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，走向了商業(yè)市場(chǎng)。高功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN等，將會(huì)引發(fā)新的、

更加大的商機(jī)，例如，光存儲(chǔ)、光通訊等。實(shí)現(xiàn)高功率藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和全波段InN-GaN實(shí)用化，并且達(dá)到其商品化，這需要合適的襯底材料。因此，GaN材料及器件發(fā)展，需要尋找到與GaN匹配的襯底材料，進(jìn)一步提高外延膜的質(zhì)量。

另外，就基礎(chǔ)研究和中長(zhǎng)期計(jì)劃考慮，科技發(fā)展越來(lái)越需要把不同體系的材料結(jié)合到一起，即稱(chēng)之為異質(zhì)結(jié)材料。應(yīng)用協(xié)變襯底可以將晶格和熱失配的缺陷局限在襯底上，并且為開(kāi)辟新的材料體系打下基礎(chǔ)。已提出了多種協(xié)變襯底的制備技術(shù)，例如，自支撐襯底、鍵合和扭曲鍵合、重位晶格過(guò)渡層，以及SOI和VTE襯底技術(shù)等。預(yù)計(jì)，在今后的10~20年中，大尺寸的、協(xié)變襯底的制備技術(shù)將獲得突破，并且廣泛應(yīng)用于大失配異質(zhì)結(jié)材料生長(zhǎng)及其相聯(lián)系的光電子器件制造。

世界各國(guó)現(xiàn)在又投入了大量的人力、財(cái)力和物力，并且以期望取得GaN基高功率器件的突破，居于此領(lǐng)域的制高點(diǎn)。

氮化物襯底材料的評(píng)價(jià)因素及研究與開(kāi)發(fā)

GaN、AlN、InN及其合金等材料，是作為新材料的GaN系材料。對(duì)襯底材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，要就襯底材料綜合考慮其因素，尋找到更加合適的襯底是作為發(fā)展GaN基技術(shù)的重要目標(biāo)。

一、評(píng)價(jià)襯底材料綜合考慮因素

評(píng)價(jià)襯底材料要綜合考慮以下的幾個(gè)因素：

（1）襯底與外延膜的晶格匹配

襯底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二個(gè)內(nèi)容：

· 外延生長(zhǎng)面內(nèi)的晶格匹配，即在生長(zhǎng)界面所在平面的某一方向上襯底與外延膜的匹配；

· 沿襯底表面法線方向上的匹配。

（2）襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配

熱膨脹系數(shù)的匹配也很重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過(guò)大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會(huì)在器件工作過(guò)程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞。

（3）襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配

襯底材料需要有相當(dāng)好的化學(xué)穩(wěn)定性，不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降。

（4）材料制備的難易程度及成本的高低

考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡(jiǎn)潔，而且其成本不宜很高。

轉(zhuǎn)貼于

二、InN的外延襯底材料的研究與開(kāi)發(fā)

InN的外延襯底材料就現(xiàn)在來(lái)講有廣泛應(yīng)用的，其中有：InN；α－Al2O3(0001)；6H-SiC；MgAl2O4(111)；LiAlO2和LiGaO2；MgO；Si ；GaAs(111)等。

Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如，GaN、AlN、InN，這些材料都有二種結(jié)晶形式：一種是立方晶系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)，而另一種是六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。以藍(lán)光輻射為中心形成研究熱點(diǎn)的是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵、氮化鋁、氮化銦，而且主要是氮化鎵、氮化鋁、氮化銦的固溶體。這些材料的禁帶是直接躍遷型，因而有很高的量子效率。用氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這三種材料按不同組份和比例生成的固溶體，其禁帶寬度可在2.2eV到6.2eV之間變化。這樣，用這些固溶體制造發(fā)光器件，是光電集成材料和器件發(fā)展的方向。

（1）InN和GaN

因?yàn)楫愘|(zhì)外延氮化物薄膜通常帶來(lái)大量的缺陷，缺陷損害了器件的性能。與GaN一樣，如果能在InN上進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)，可以大大減少缺陷，那么器件的性能就有巨大的飛躍。

自支撐同質(zhì)外延GaN，AlN和AlGaN襯底是目前最有可能首先獲得實(shí)際應(yīng)用的襯底材料。

（2）藍(lán)寶石(α-Al2O3)和6H-SiC

α-Al2O3單晶，即藍(lán)寶石晶體。(0001)面藍(lán)寶石是目前最常用的InN的外延襯底材料。其匹配方向?yàn)椋篒nN(001)// α－Al2O3(001)，InN[110]// α－Al2O3[100][11，12]。因?yàn)橐r底表面在薄膜生長(zhǎng)前的氮化中變?yōu)锳lON，InN繞α－Al2O3(0001)襯底的六面形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30°，這樣其失匹配度就比原來(lái)的29%稍有減少。雖然(0001)面藍(lán)寶石與InN晶格的失配率高達(dá)25%，但是由于其六方對(duì)稱(chēng)，熔點(diǎn)為2050℃，最高工作溫度可達(dá)1900℃，具有良好的高溫穩(wěn)定性和機(jī)械力學(xué)性能，加之對(duì)其研究較多，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，而且價(jià)格便宜，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最為廣泛的襯底材料。

6H-SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石。同藍(lán)寶石相比，6H-SiC與InN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，6H-SiC具有藍(lán)色發(fā)光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，這就使器件在包裝前對(duì)外延膜進(jìn)行完全測(cè)試成為可能，因而增強(qiáng)了6H-SiC作為襯底材料的競(jìng)爭(zhēng)力。又由于6H-SiC的層狀結(jié)構(gòu)易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質(zhì)量的解理面，這將大大簡(jiǎn)化器件的結(jié)構(gòu)；但是同時(shí)由于其層狀結(jié)構(gòu)，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺(tái)階出現(xiàn)。

（3）鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)

MgAl2O4晶體，即鋁酸鎂晶體。MgAl2O4晶體是高熔點(diǎn)(2130℃)、高硬度（莫氏8級(jí)）的晶體材料，屬面心立方晶系，空間群為Fd3m， 晶格常數(shù)為0.8085nm。MgAl2O4晶體是優(yōu)良的傳聲介質(zhì)材料，在微波段的聲衰減低，用MgAl2O4晶體制作的微波延遲線插入損耗小。MgAl2O4晶體與Si的晶格匹配性能好，其膨脹系數(shù)也與Si相近，因而外延Si膜的形變扭曲小，制作的大規(guī)模超高速集成電路速度比用藍(lán)寶石制作的速度要快。此外，國(guó)外又用MgAl2O4晶體作超導(dǎo)材料，有很好的效果。近年來(lái)，對(duì)MgAl2O4晶體用于GaN的外延襯底材料研究較多。由于MgAl2O4晶體具有良好的晶格匹配和熱膨脹匹配，(111)面MgAl2O4晶體與GaN晶格的失配率為9%，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及良好的機(jī)械力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，MgAl2O4晶體目前是GaN較為合適的襯底材料之一，已在MgAl2O4基片上成功地外延出高質(zhì)量的GaN膜，并且已研制成功藍(lán)光LED和LD。此外，MgAl2O4襯底最吸引人之處在于可以通過(guò)解理的方法獲得激光腔面。

在前面的研究基礎(chǔ)上，近來(lái)把MgAl2O4晶體用作InN的外延襯底材料的研究也陸續(xù)見(jiàn)之于文獻(xiàn)報(bào)道。其之間的匹配方向?yàn)椋篒nN(001)//MgAl2O4(111)，InN[110]//MgAl2O4[100]，InN繞MgAl2O4(111)襯底的四方、六方形格子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30°。研究表明(111)面MgAl2O4晶體與InN晶格的失配率為15%，晶格匹配性能要大大優(yōu)于藍(lán)寶石，(0001)面藍(lán)寶石與InN晶格的失配率高達(dá)25%。而且，如果位于頂層氧原子層下面的鎂原子占據(jù)有效的配位晶格位置，以及氧格位，那么這樣可以有希望將晶格失配率進(jìn)一步降低至7%，這個(gè)數(shù)字要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石。所以MgAl2O4晶體是很有發(fā)展?jié)摿Φ腎nN的外延襯底材料。

（4）LiAlO2和LiGaO2

以往的研究是把LiAlO2 和LiGaO2用作GaN的外延襯底材料。LiAlO2 和LiGaO2與GaN的外延膜的失配度相當(dāng)小，這使得LiAlO2 和LiGaO2成為相當(dāng)合適的GaN的外延襯底材料。同時(shí)LiGaO2作為GaN的外延襯底材料，還有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)：外延生長(zhǎng)GaN后，LiGaO2襯底可以被腐蝕，剩下GaN外延膜，這將極大地方便了器件的制作。但是由于LiGaO2晶體中的鋰離子很活潑，在普通的外延生長(zhǎng)條件下（例如，MOCVD法的化學(xué)氣氛和生長(zhǎng)溫度）不能穩(wěn)定存在，故其單晶作為GaN的外延襯底材料還有待于進(jìn)一步研究。而且在目前也很少把LiAlO2和LiGaO2用作InN的外延襯底材料。

（5）MgO

MgO晶體屬立方晶系，是NaCl型結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)為2800℃。因?yàn)镸gO晶體在MOCVD氣氛中不夠穩(wěn)定，所以對(duì)其使用少，特別是對(duì)于熔點(diǎn)和生長(zhǎng)溫度更高的InN薄膜。

（6）GaAs

GaAs(111)也是目前生長(zhǎng)InN薄膜的襯底材料。襯底的氮化溫度低于700℃時(shí)，生長(zhǎng)InN薄膜的厚度小于0.05μm時(shí)，InN薄膜為立方結(jié)構(gòu)，當(dāng)生長(zhǎng)InN薄膜的厚度超過(guò)0.2μm時(shí)，立方結(jié)構(gòu)消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)的InN薄膜。InN薄膜在GaAs(111)

襯底上的核化方式與在α－Al2O3(001)襯底上的情況有非常大的差別，InN薄膜在GaAs(111)襯底上的核化方式?jīng)]有在白寶石襯底上生長(zhǎng)InN薄膜時(shí)出現(xiàn)的柱狀、纖維狀結(jié)構(gòu)，表面上顯現(xiàn)為非常平整。

（7）Si

單晶Si，是應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體材料。以Si作為InN襯底材料是很引起注意的，因?yàn)橛锌赡軐nN基器件與Si器件集成。此外，Si技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中已相當(dāng)?shù)某墒??？梢韵胂螅绻赟i的襯底上能生長(zhǎng)出器件質(zhì)量的InN外延膜，這樣則將大大簡(jiǎn)化InN基器件的制作工藝，減小器件的大小。

（8）ZrB2

篇4

關(guān)鍵詞半導(dǎo)體材料量子線量子點(diǎn)材料光子晶體

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類(lèi)進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類(lèi)能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢(shì)。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC’s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0．18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm,0．13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進(jìn)一步提高硅IC’S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開(kāi)發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來(lái)替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來(lái)提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類(lèi)不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長(zhǎng)的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來(lái)，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑（4,6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國(guó)莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢(shì)是：（1）．增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。(2)．提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。（3）．降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。（4）．GaAs和InP單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。

2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長(zhǎng)技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)材料。

(1)Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來(lái)制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管(HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW,功率增益6.4db;雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz,HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快。基于上述材料體系的光通信用1．3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測(cè)器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1．5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門(mén)子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄(～0．01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類(lèi)激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國(guó)湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)的科研工作者又提出并開(kāi)展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來(lái)光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長(zhǎng)的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長(zhǎng)為9．1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW。量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無(wú)線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3．7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國(guó)成為能研制這類(lèi)高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過(guò)渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3．75×104片4英寸或1．5×104片6英寸。英國(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

(2)硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0．9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱(chēng)，他們?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。

2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料

基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過(guò)能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。

目前低維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP,InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長(zhǎng)lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3．6～4W。特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國(guó)上述的MBE小組，2001年通過(guò)在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過(guò)5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見(jiàn)國(guó)外報(bào)道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長(zhǎng)度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國(guó)又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開(kāi)關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0．25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長(zhǎng)模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長(zhǎng)控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。

王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱(chēng)截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無(wú)缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來(lái)研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)制各方面也取得了重要進(jìn)展。

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過(guò)物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車(chē)、航空、航天、石油開(kāi)采以及國(guó)防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED)和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測(cè)器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0．5W。在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱(chēng)，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來(lái)具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)帯Ｆ渌鸖iC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國(guó)3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開(kāi)始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過(guò)1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)題。

寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱(chēng)性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類(lèi)材料發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題,如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長(zhǎng)與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類(lèi)似于固態(tài)晶體中的能帶論來(lái)描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開(kāi)辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可見(jiàn)光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1．5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來(lái)制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。

4量子比特構(gòu)建與材料

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來(lái)越?。╪m尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無(wú)法滿足人類(lèi)對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類(lèi)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開(kāi)密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。

這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無(wú)雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無(wú)序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過(guò)程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料

硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國(guó)內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴(lài)進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國(guó)家集中人力和財(cái)力，首先開(kāi)展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開(kāi)發(fā)，在“十五”的后期，爭(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國(guó)應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。

5.2GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶

材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒(méi)有形成生產(chǎn)能力。相信在國(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開(kāi)盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體

微結(jié)構(gòu)材料的建議

(1)超晶格、量子阱材料

從目前我國(guó)國(guó)力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬(wàn)平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國(guó)際水平。

寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開(kāi)發(fā)工作。

(2)一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想?；诘途S半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴(lài)于低維結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)際該領(lǐng)域占有一席之地。可以預(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。

篇5

摘 要：隨著化石能源日益枯竭和環(huán)境污染的加劇，社會(huì)的發(fā)展迫切需要尋找清潔可再生能源。薄膜光伏發(fā)電是安全、無(wú)噪音、建設(shè)周期短、使用壽命長(zhǎng)、零排放的清潔能源，因而備受關(guān)注。本文簡(jiǎn)要分析了目前薄膜太陽(yáng)能電池的概況，為未來(lái)的發(fā)展方向提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽(yáng)電池；光伏；分類(lèi)；概況

1.引言

目前，市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池以單晶硅、多晶硅為主，但其工藝復(fù)雜，成本^高，而成本一直是光伏產(chǎn)業(yè)能否大范圍普及的關(guān)鍵。薄膜太陽(yáng)能電池能夠大幅度降低電池成本，近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。

2.薄膜電池分類(lèi)以及發(fā)展

薄膜太陽(yáng)能電池具有多種分類(lèi)[1]，按照吸收層材料，可分為硅系、多元化合物和有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池。硅系薄膜主要包括非晶硅薄膜，多晶硅薄膜；多元化合物薄膜主要包括III-VI族二元化合物，如碲化鎘、硫化鎘薄膜；III-V族二元化合物，如砷化鎵、磷化銦薄膜太陽(yáng)電池；I-III-VI2族三元化合物，如銅銦硒、銅銦硫薄膜；有機(jī)薄膜主要包括染料敏化劑薄膜和聚合物薄膜。上述的電池的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點(diǎn)各不相同，分別進(jìn)行介紹。

2.1硅系薄膜太陽(yáng)電池

硅薄膜太陽(yáng)能電池按照材料可細(xì)分為非晶硅、多晶硅和微晶硅薄膜太陽(yáng)電池；其中以多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的應(yīng)用最為廣泛。

2.1.1非晶硅薄膜太陽(yáng)電池

1976年，非晶硅薄膜太陽(yáng)電池由RAC實(shí)驗(yàn)室的Carlson等研制成功，也是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[2]。隨后，其得到了較快的發(fā)展。鐘迪生等采用等離子體化學(xué)氣相沉積法特別是RF輝光放電法制作高質(zhì)量的非晶硅薄膜；United Solar Ovonic完成了面積929cm2的a-Si薄膜太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率達(dá)9.8%，利用減反射層可使小面積的電池效率達(dá)到12%；日本的Ichikawa等使用柔性樹(shù)脂薄膜襯底，利用roll-to-roll CVD在50cm×1km的樹(shù)脂基底上制備a-Si/a-SiGe太陽(yáng)能電池，效率達(dá)10.1%；日本中央研究院制的的非晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到13.2%。

國(guó)內(nèi)，中科院半導(dǎo)體所研制的玻璃襯底非晶硅單結(jié)太陽(yáng)能電池，效率達(dá)11.2%；南開(kāi)大學(xué)薛俊明等采用PECVD技術(shù)制備非晶硅頂電池，采用甚高頻PECVD技術(shù)制備出微晶硅底電池，研制出效率達(dá)9.83%的薄膜非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)能電池；美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室利用堆疊技術(shù)，制得三結(jié)疊層太陽(yáng)能薄膜，轉(zhuǎn)換率達(dá)到12%。但是非晶硅的帶隙為1.7eV，對(duì)應(yīng)吸收波長(zhǎng)為730nm，與太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波區(qū)域不匹配，理論上限制了其轉(zhuǎn)換效率的提高。此外，隨光照時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化效率會(huì)明顯衰減。目前，穩(wěn)定的單結(jié)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)9.5%，而量產(chǎn)的效率只維持在8%左右。

2.1.2多晶硅薄膜電池

多晶硅薄膜太陽(yáng)電池以生長(zhǎng)在襯底上具有納米尺寸和具有不同晶面的小晶粒構(gòu)成的多晶硅薄膜作為吸收層，通?？梢圆捎没瘜W(xué)氣相沉積法、液相外延法、金屬誘導(dǎo)晶體法、非晶硅薄膜固相晶化法或等離子噴涂法形成。Kaneka公司設(shè)計(jì)的STAR結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池，效率已經(jīng)達(dá)到了10.7%，厚度小于5um，并且無(wú)光致衰減現(xiàn)象；另一種SIO結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜電池100cm2，獲得了14.22%的效率；H.orikawa等制備出了效率高達(dá)16%的多晶硅薄膜電池；日本三菱公司用該法制備電池，效率達(dá)到16.42%。德國(guó)費(fèi)來(lái)堡太陽(yáng)能研究所采用區(qū)域在再結(jié)晶技術(shù)在Si襯底上制的多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率為19%。理論計(jì)算表明，多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的最高效率可達(dá)28%。與單晶硅電池相比，多晶硅薄膜電池厚度約為前者，大大的降低了生產(chǎn)成本，且在長(zhǎng)波段具有高光敏性，吸光好，穩(wěn)定性高，無(wú)光致衰退效應(yīng)，制作工藝簡(jiǎn)單，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.2多元化合物薄膜太陽(yáng)電池

2.2.1II-VI族薄膜電池

在II-VI族化合物半導(dǎo)體材料主要包括碲化鎘、硫化鎘，用該半導(dǎo)體制作的太陽(yáng)能電池有很高的理論轉(zhuǎn)換效率。CdTe薄膜電池通常以CdS/CdTe異質(zhì)結(jié)作為吸收層，填充因子高達(dá)FF=0.75，并且其容易沉積得到大面積的薄膜，沉積速率也較高，膜的厚度通常為1.5-3μm。因而CdTe薄膜電池制造成本也得以大大的降低低，應(yīng)用前景良好。它已經(jīng)成為歐美、日、韓等國(guó)研究開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象。托萊多大學(xué)的鄢炎發(fā)博士采用濺工藝制得效率為14%的碲化鎘太陽(yáng)能電池；采用近空間升華法制得效率高于15.8%的碲化鎘太陽(yáng)能電池。在國(guó)內(nèi)，四川大學(xué)太陽(yáng)能材料與器件研究所的馮良恒，制備出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)11.6%的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池，進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。CdS半導(dǎo)體具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，帶隙寬度為2.4eV，光吸收系數(shù)較高，透光性好，主要用于薄膜太陽(yáng)電池的n型窗口材料，可以與碲化鎘、銅銀硒形成良好的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。但是，由于Cd元素對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，阻礙了CdS/CdTe電池的應(yīng)用。

2.2.2I-III-VI2族化合物薄膜太陽(yáng)電池

I-III-VI族化合物半導(dǎo)體是指以具有黃銅礦、閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)作為吸收層的太陽(yáng)電池，通?？梢該饺爰葱纬伤脑衔锇雽?dǎo)體吸收層。I-III-VI2族化合物半導(dǎo)體的研究集中在CuInSe2、Cu（In，Ga）Se2、CuInS2等材料，上述半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度連續(xù)可調(diào)，吸收系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。日本昭和石油公司創(chuàng)下了CIS系薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的最高世界紀(jì)錄，面積為864cm2的薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率為14.3%，該公司完成了使用該太陽(yáng)能電池的日本第一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，使得該電池的實(shí)用化向前邁進(jìn)了一大步。

國(guó)內(nèi)，南開(kāi)大學(xué)研發(fā)的電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到14%，接近世界先進(jìn)水平。目前，Cu（In，Ga）Se2薄膜太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.3%（3）。黃銅礦系薄膜太陽(yáng)能電池是未來(lái)的太陽(yáng)能電池主流產(chǎn)品之一，可廣泛用于大型太陽(yáng)能電站、節(jié)能樓宇玻璃及航空航天等軍事用途，有著巨大的市場(chǎng)需求。

2.2.3砷化鎵、磷化銦薄膜太陽(yáng)電池

首次發(fā)現(xiàn)GaAs材料具有光伏效應(yīng)在1954年，至今已有50多年。在1956年，LoferkiJ.J.研究探討了制造太陽(yáng)電池的最佳材料的物性；20世紀(jì)60年代，Gobat等研制出第1摻鋅GaAs太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)化率僅為9%～10%；20世紀(jì)70年代，IBM公司和前蘇聯(lián)loffe技術(shù)物理所等研究單位，采用液相外延技術(shù)引入GaAlAs異質(zhì)窗口層，降低了GaAs表面的復(fù)合速率，使GaAs太陽(yáng)電池的效率達(dá)16%；不久，美國(guó)HRL等通過(guò)改了LPE技術(shù)使得電池平均效率提高到18%，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)；從上世紀(jì)80年代后，GaAs太陽(yáng)電池技術(shù)經(jīng)歷了從LPE到MOCVD，從同質(zhì)外延到異質(zhì)外延，從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)的幾個(gè)發(fā)展階段，其發(fā)展速度日益加快，效率也不斷提高。目前實(shí)驗(yàn)室最高效率已達(dá)到50%，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化率可達(dá)以上30%。

2.3有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池

有機(jī)太陽(yáng)電池主要包括染料敏化、聚合物薄膜太陽(yáng)電池，其原理與光合作用類(lèi)似，通過(guò)載有染料的半導(dǎo)體電極將光能轉(zhuǎn)換為電能。早期以載有單層染料分子的平板電極作為吸收層，轉(zhuǎn)換效率較低。1991年Gratzel教授首次使用載有染料光敏劑的多孔TiO2替代平板電極，將轉(zhuǎn)換效率提高到了 7.1%。從此，染料敏化薄膜太陽(yáng)電池得到了較快的發(fā)展。2001年澳大利亞STA公司建立了第一個(gè)DSCS工廠；2003年臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院能源研究所開(kāi)發(fā)出納米晶體染料敏化薄膜太陽(yáng)電池，將光電轉(zhuǎn)換效率提高到了8%-12%；2004年日立成功研制了大尺寸染料敏化薄膜太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)9.3%；同年，Peccell Technologies公司開(kāi)發(fā)出高壓（4V）的染料敏化納米晶薄膜太陽(yáng)電池，可作為下一代薄膜電池。目前，染料敏化薄膜太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)到了11.4%。

與染料敏化薄膜太陽(yáng)電池相比，有機(jī)聚合物薄膜電池具有柔韌性好、成本低廉、容易加工等優(yōu)點(diǎn)，其研究處于剛剛起步階段，使用壽命和電池效率不能和其他成熟的電池產(chǎn)品相比。目前，有機(jī)聚合物薄膜電池實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率為10%左右。

3.小結(jié)

綜上所述，薄膜太陽(yáng)能電池在節(jié)約能源、降低成本方面具有較大的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展前景。但薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率還有進(jìn)一步提升的空間，通過(guò)不斷出現(xiàn)的新技術(shù)，如量子點(diǎn)、納米表面結(jié)構(gòu)、背反射技術(shù)等等，將會(huì)進(jìn)一步提升電池效率，推動(dòng)薄膜太陽(yáng)電池上一個(gè)新的臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：光子晶體；光子頻率禁帶；激光全息；光子晶體激光器；微波天線

中圖分類(lèi)號(hào)：TN364 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)22-5468-02

進(jìn)入20世紀(jì)后半葉以來(lái)，全球迎來(lái)了電子時(shí)代，電子器件被極其廣泛的應(yīng)用于工作和生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是促進(jìn)了計(jì)算機(jī)和通訊行業(yè)的發(fā)展。但是進(jìn)入21世紀(jì)以后，伴隨著電子器件不斷深入的小型化、低耗能、高速度，其進(jìn)一步的提升也越來(lái)越困難。人們感到了電子器件發(fā)展的瓶頸，開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向了光子，有人提出了使用光子代替電子作為新一代信息載體的設(shè)想。電子器件的基礎(chǔ)是電子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)，類(lèi)似的，光子器件的基礎(chǔ)是光子在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)。光子的性質(zhì)決定了光子器件的主要特點(diǎn)是能量損耗小、運(yùn)行速度快，所以工作效率高。光子器件在高效率發(fā)光二極管、光子開(kāi)關(guān)、光波導(dǎo)器件、光濾波器等方面都具備巨大的應(yīng)用潛力。近年來(lái)，光子晶體相關(guān)的理論研究、實(shí)驗(yàn)科學(xué)以及實(shí)際應(yīng)用都已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展，光子晶體領(lǐng)域已經(jīng)成為現(xiàn)在世界范圍的研究熱點(diǎn)。1999年12月17日，《科學(xué)》雜志就已經(jīng)把光子晶體的研究列為全球十大科學(xué)進(jìn)展之一。

1 光子晶體的由來(lái)

1987年S. John和E.Yablonovitch等人分別提出了光子晶體的概念：光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBand-Gap,簡(jiǎn)稱(chēng)為PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時(shí)也稱(chēng)為PBG光子晶體結(jié)構(gòu)。它是根據(jù)電子學(xué)上的概念類(lèi)比得出的。我們知道，在固體物理學(xué)的研究中，晶體中的呈周期性排列的原子產(chǎn)生的周期性電勢(shì)場(chǎng)會(huì)對(duì)其中電子有特殊的約束作用。在介電常數(shù)周期性分布的介質(zhì)中的電磁波的一些頻率是被禁止的，光子晶體也類(lèi)似，通常這些被禁止的頻率區(qū)間為光子帶隙，也叫光子頻率禁帶，而將具有“光子頻率禁帶”的材料稱(chēng)作為光子晶體。

2 光子晶體的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)

我們可以根據(jù)光子晶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)其能隙空間分布的不同，我們把光子晶體分為一維光子晶體、二維光子晶體、三維光子晶體。

3 光子晶體的制造

光子晶體在自然界中幾乎不存在，它是一種人造微結(jié)構(gòu)，其制備工藝主要有以下幾種：

3.1 機(jī)械加工法

機(jī)械加工法又叫精密機(jī)械加工法，這種加工法是在光子晶體的早期研究中發(fā)展起來(lái)的方法。機(jī)械加工法通過(guò)在集體材料上進(jìn)行機(jī)械接卸鉆孔，利用空氣介質(zhì)和集體材料的折射率差來(lái)獲得光子晶體，這種方法可以用于制備制作起來(lái)比較容易的晶格常熟在厘米至毫米量級(jí)的微波波段光子晶體。

3.2 半導(dǎo)體微制造法

半導(dǎo)體制備技術(shù)中的“激光刻蝕”、“反應(yīng)離子束刻蝕”、“電子束刻蝕”以及“化學(xué)汽相淀積”等能夠應(yīng)用于面心立方結(jié)構(gòu)的光子晶體的制備。

這類(lèi)制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和設(shè)備，并且用這種方法制備的光子晶體具有較寬的禁帶，在集成光電子元件的應(yīng)用方面有很大的潛力。但是這類(lèi)制備方法的工藝太過(guò)復(fù)雜，而且成本過(guò)高，并且在向光子晶體中引入缺陷和制備更短波長(zhǎng)的光子晶體等方面存在不足。

3.3 膠體自組織法

分散的聚苯乙烯乳膠球能自發(fā)的在水中排列成面心立方和體心立方等有序結(jié)構(gòu)，這種膠體體系被人們稱(chēng)為膠體晶體。目前制備交替晶體的多為二氧化硅小球體系或者聚苯乙烯球。這種方法制備的光子晶體的折射率比值不會(huì)太大。蛋白石光子晶體的折射率比值比較小，這也就決定了此種膠體光子晶體的光子禁帶較窄，它們是非完全光子帶隙晶體。為解決膠體晶體的低介電常數(shù)配比問(wèn)題，人們又發(fā)展了模板法。

模板法和膠體法可以用于制備可見(jiàn)光和近紅外波段的三維光子晶體。它們的缺點(diǎn)是不易引入人們想要的缺陷，以及制得的光子晶體機(jī)械強(qiáng)度較低，尺寸較小等。

3.4 激光微制造法

有一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的制備光子晶體的方法叫做激光微制造法。其原理是，光線能通過(guò)透鏡產(chǎn)生匯聚，從而在焦點(diǎn)處可以產(chǎn)生很高的溫度。如果將緊密聚焦后的激光束直接照射在透明材料上，只要光強(qiáng)足夠大，則材料內(nèi)部的亞微觀尺寸區(qū)得光學(xué)性質(zhì)會(huì)被改變。光學(xué)改性區(qū)取決于激光束的聚焦情況，如果使用配有高數(shù)值孔徑的顯微鏡對(duì)激光束聚焦，則所得的光學(xué)改性區(qū)的尺寸有可能達(dá)到進(jìn)行為制造的激光波長(zhǎng)量級(jí)。

3.5 激光全息制造法

激光全息制造法的原理是：兩束或多束相關(guān)光線在相互重疊匯聚處能產(chǎn)生在空間上呈周期性變化的圖案，然后再通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用，就能形成介質(zhì)折射率在空間上呈周期性變化的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵诠鈴?qiáng)比較高的地方，液態(tài)樹(shù)脂會(huì)發(fā)生固化，而其他地方還是液態(tài)，所以該電磁波場(chǎng)強(qiáng)的圖案能被轉(zhuǎn)印到樹(shù)脂材料中，進(jìn)而得到需要的光子晶體結(jié)構(gòu)。

3.6 雙光子聚合法

雙光子聚合是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型光聚合技術(shù)，它要求材料中能引發(fā)光聚合的活性成分能在同時(shí)吸收兩個(gè)光子，產(chǎn)生一種活性物質(zhì)，進(jìn)而引發(fā)聚合反應(yīng)。雙光子聚合技術(shù)是點(diǎn)聚合，能通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行立體結(jié)構(gòu)加工，所以加工精密度要比普通光聚合更高。

4 光子晶體的應(yīng)用發(fā)展

4.1 光子晶體激光器

傳統(tǒng)光學(xué)器件尺寸的縮小已經(jīng)接近物理極限，光子晶體為突破這一瓶頸限制帶來(lái)了曙光，可望滿足元器件不斷微型化的需要。另外從理論性上看，光子晶體激光器的起振閾值可以為零。因此光子晶體激光器的研究受到了廣泛重視，日本、美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)、瑞士、法國(guó)等國(guó)的研究者都已研制出光子晶體激光器裝置。但由于其制作工藝復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究基本上還是空白狀態(tài)。

從工作原理上看，光子晶體激光器可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)基于缺陷態(tài)光子晶體的特性，另一類(lèi)基于光子晶體的理想反射特性。

從工作特點(diǎn)上看，光子晶體激光器可分為半導(dǎo)體光子晶體激光器、光子晶體光線激光器、光子晶體激光二極管、有機(jī)聚合物光子晶體激光器。

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，已研制出的有光子晶體帶間缺陷模激光器、表面發(fā)射型光子晶體激光器、脊形波導(dǎo)光子晶體激光器、六角波導(dǎo)環(huán)形諧振腔光子晶體激光器、光子晶體分布反饋式激光器、垂直腔面發(fā)射光子晶體激光器、光子晶體帶邊激光器等。

4.2 光子晶體光纖

光子晶體纖維其實(shí)就是在二維光子晶體的長(zhǎng)度方向上制造一定的缺陷，從而使其能夠成光的導(dǎo)體的波導(dǎo)。光子纖維光線最重要的特點(diǎn)是無(wú)休止單模特性和其奇異的色散特性。

4.3 光子晶體在為微波中的應(yīng)用-微波天線

這里主要介紹一種在微波領(lǐng)域中的平面二維光子晶體.這種光子品體可能實(shí)現(xiàn)相位可控的金屬-介質(zhì)反射表面，因而可能實(shí)現(xiàn)具有高表面阻抗的電磁波反射表面,也就是說(shuō)，可能實(shí)現(xiàn)電磁波的同相位反射.這樣的光子晶體，將會(huì)在天線、通訊、尤其是手機(jī)通訊中、有非常誘人的應(yīng)用前景。

4.4 光子晶體發(fā)光二級(jí)管

眾所周知，傳統(tǒng)的發(fā)光二極管在光通信領(lǐng)域中起著關(guān)鍵性的作用。一般的傳統(tǒng)發(fā)光二極管的發(fā)光中心發(fā)出的光要經(jīng)過(guò)包圍它的介質(zhì)的無(wú)數(shù)次反射，其中大部分的光不能有效地耦合出去，從而使傳統(tǒng)的發(fā)光二極管的光輻射效率很低。如果把一塊特質(zhì)的光子晶體放在發(fā)光二極管的發(fā)光中心，并設(shè)計(jì)成該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與其中間的光子晶體的光子頻率禁帶相重合，則發(fā)光二極管的發(fā)光中心發(fā)出的光就不會(huì)進(jìn)入包圍它的光子晶體中，而是沿著特定的設(shè)計(jì)方向相外輻射，這樣就能極大地提高發(fā)光二極管的效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

如前文所述，光子晶體雖然只發(fā)展了短短二十幾年，但是因?yàn)槠鋸V闊前景，已經(jīng)引起了全世界學(xué)術(shù)界的廣泛重視，很多科研工作者在光子晶體的理論研究、實(shí)驗(yàn)以及具體應(yīng)用上都進(jìn)行了大量的工作。當(dāng)前光子晶體的波長(zhǎng)范圍已經(jīng)發(fā)展到了紅外光甚至可見(jiàn)光的波段，但是如果想在此波段范圍內(nèi)制造完全帶隙的三維光子晶體還存在著一定的困難，目前最大的制約還是在適宜的材料和加工工藝上。因此，人們發(fā)明了了雙光子聚合技術(shù)和激光全息光科技書(shū)，這兩種技術(shù)結(jié)合了高分子化學(xué)和激光光學(xué)的全新手段，是交叉性、邊緣性的前沿研究領(lǐng)域。目前在加工工藝方面，人們可以采用激光全息技術(shù)來(lái)制備三維光子晶體，甚至也能通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)給光子晶體加入我們想要的缺陷。但是在先進(jìn)技術(shù)不斷革新的同時(shí)，我們對(duì)材料也不斷提出了更高的要求。我們希望材料聚合后的折射率應(yīng)較大，因?yàn)檎凵渎氏嗖钤酱?，光子晶體產(chǎn)生的能隙寬度才會(huì)越大?，F(xiàn)在，人們使用以上技術(shù)制造出的聚合物微結(jié)構(gòu)作為模板，再結(jié)合其他高折射率的材料，例如使用硅、鍺等進(jìn)行填充，再通過(guò)煅燒、化學(xué)腐蝕等方法出去模板，進(jìn)而制備出具有更高設(shè)置指數(shù)的光子晶體。

光子晶體優(yōu)良的特性及其在光電子領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力，必將推動(dòng)光通信技術(shù)的飛速發(fā)展。目前光子晶體正處于深入研究和應(yīng)用推廣階段，許多美好設(shè)想即將成為現(xiàn)實(shí)，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家們將在該領(lǐng)域進(jìn)行大量的研究工作。

參考文獻(xiàn)：

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篇7

關(guān)鍵詞 納米TiO2 光催化劑 制備方法

中圖分類(lèi)號(hào)： TQ174.75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，環(huán)境污染已經(jīng)越來(lái)越嚴(yán)重，并且直接影響人們的身體健康。自從1972年日本東京大學(xué)Fujishima A和Honda K兩位教授發(fā)現(xiàn)TiO2能夠光催化分解水制氫以來(lái)，半導(dǎo)體光催化技術(shù)逐漸成為人們研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，因此光催化降解有機(jī)污染物是一種有效的解決環(huán)境問(wèn)題的方法。在眾多的半導(dǎo)體光催化劑中，納米TiO2作為一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體光催化材料，具有原料易得、無(wú)毒、催化活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、高氧化能力、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在光催化降解有機(jī)污染物、催化劑載體、太陽(yáng)能電池、氣體傳感器以及自清潔材料等許多研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。納米TiO2光催化劑的光催化降解原理是在光照射下產(chǎn)生光生電子-空穴Γ這些電子-空穴對(duì)具有極強(qiáng)的氧化還原性，能與TiO2表面吸附水、氧氣以及有機(jī)污染物發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)將有機(jī)污染物最終降解為CO2、H2O和其它無(wú)毒的無(wú)機(jī)小分子等。納米TiO2許多獨(dú)特的物理化學(xué)特性在很大程度上受到其制備方法的影響，本文主要分析了目前納米TiO2光催化劑的制備方法及其特點(diǎn)，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。

1納米TiO2光催化劑的制備方法

目前納米TiO2光催化劑的制備方法主要有固相法、氣相法和液相法等3種方法。

1.1固相法

固相法是通過(guò)機(jī)械研磨使對(duì)固體反應(yīng)物進(jìn)行粉碎并不斷細(xì)化，再經(jīng)干燥、烘干、煅燒等過(guò)程即可得到納米TiO2粉體。固相法具有合成工藝簡(jiǎn)單、原料易得、污染少、產(chǎn)率高、可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但該方法具有容易引入雜質(zhì)、顆粒不均勻、易團(tuán)聚、耗能大等缺點(diǎn)。

1.2氣相法

氣相合成法是一種傳統(tǒng)方法，將待制備的金屬、合金或者是化合物前體物質(zhì)進(jìn)行氣化，以使其在氣相狀態(tài)下發(fā)生化學(xué)或者物理變化，繼而通過(guò)冷卻使其成核、晶核長(zhǎng)大、凝聚等一系列過(guò)程最終形成納米TiO2。氣相法主要包括物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)氣相沉積法（CVD），具有反應(yīng)速度快、粉體純度高、粒徑細(xì)、分散性較好，顆粒團(tuán)聚少等優(yōu)點(diǎn)，但該方法制得的粉體產(chǎn)量小、成本高、設(shè)備復(fù)雜、能耗高，操作復(fù)雜，使其應(yīng)用受到限制。

1.3液相法

液相法是國(guó)際上研究最廣泛的方法，因其具有操作方便、合成溫度低、工藝簡(jiǎn)單以及純度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3.1溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是指無(wú)機(jī)鈦鹽或者鈦醇鹽經(jīng)溶液水解、縮合等化學(xué)反應(yīng)生成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，經(jīng)干燥、熱處理而制得納米TiO2的方法。該法具有合成溫度低、工藝簡(jiǎn)單、粒徑小、分散性好等優(yōu)點(diǎn)；但也存在原料成本高，產(chǎn)物干燥時(shí)體積收縮較大且易于團(tuán)聚等缺點(diǎn)。2015年曾憲光等以鈦酸丁酯為前軀體，采用溶膠-凝膠法制備了粒徑為9 nm的銳鈦礦型納米TiO2，取得了較好的光催化效果。

1.3.2水熱/溶劑熱法

水熱/溶劑熱法是采用水或其它有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，在特制的密閉反應(yīng)器中通過(guò)加熱，形成一個(gè)相對(duì)高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使難溶或不溶的物質(zhì)進(jìn)行溶解并重結(jié)晶制備納米TiO2的一種方法。該方法具有無(wú)需煅燒、純度高、晶型好、粒徑小且顆粒大小可控等優(yōu)點(diǎn)，但反應(yīng)過(guò)程需要高溫高壓，對(duì)設(shè)備的材質(zhì)和安全要求較嚴(yán)，操作復(fù)雜。2011年孫海身等以鈦酸四丁酯為前驅(qū)物，利用硫脲為摻雜劑，采用水熱法制得TiO2納米粉體，硫元素的摻雜提高了光催化活性，在可見(jiàn)光下得到了理想的降解效果。

1.3.3沉淀法

沉淀法是納米粉體制備中被廣泛應(yīng)用的方法之一，是把沉淀劑（如NaOH、氨水等）加入無(wú)機(jī)鈦鹽溶液中產(chǎn)生沉淀，經(jīng)過(guò)濾、洗滌、烘干等手段制備納米TiO2的方法。沉淀法包括直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法，具有成本低、粒度均勻、致密、純度高等優(yōu)點(diǎn)。但該方法存在雜質(zhì)難以除去，分散性差，易團(tuán)聚等不足。2014年景茂祥等以硫酸亞鈦和碳酸氫銨為原料，采用控制結(jié)晶連續(xù)沉淀法制備了介孔TiO2微球光催化劑，催化劑可以重復(fù)使用，對(duì)甲基橙溶液的降解率在95%以上。

1.3.4微乳液法

微乳液法通常由表面活性劑、助表面活性劑和水等組成的透明的、各向同性的熱力學(xué)液體穩(wěn)定體系。該方法具有操作容易、原料便宜、反應(yīng)條件溫和、粒徑小且可控等優(yōu)點(diǎn)。但該方法結(jié)晶性差，所得產(chǎn)物的分子間隙大，表面表面活性劑分子難以去除。2010年方建章等以乙二亞甲基-雙（十六烷基二甲基溴化銨）（EbCDAB）/正己醇/水微乳體系，采用微乳液法制備了納米TiO2光催化劑，對(duì)甲基橙溶液的降解率達(dá)82.6%。

1.3.5水解法

水解法是鈦醇鹽與水反應(yīng)發(fā)生水解，生成溶膠，經(jīng)洗滌、干燥、煅燒后得TiO2粉末。 該方法比較成熟，所得產(chǎn)物純度高、粒徑小、分散性好、工藝簡(jiǎn)單，但是該方法成本較高，合成周期長(zhǎng)，水解條件不易控制。2012年趙婷婷等以無(wú)機(jī)鹽TiCl4為原料，用（NH4）2SO4修飾TiCl4溶液，采用水解法制得TiO2粉末，對(duì)甲基藍(lán)溶液的降解率達(dá)80%以上。

1.4其它方法

1.4.1模板法

模板法是利用模板自身的微結(jié)構(gòu)對(duì)所合成材料的結(jié)構(gòu)、形貌尺寸進(jìn)行有效調(diào)控，通學(xué)化學(xué)腐蝕或者燒結(jié)等方法去除模板，從而獲得理想的TiO2結(jié)構(gòu)材料。常見(jiàn)的模板主要有多孔陽(yáng)極氧化鋁模板、有機(jī)高分子模板、生物分子模板等。該方法具有操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、 反應(yīng)條件溫和以及形貌可控等優(yōu)點(diǎn)，但材料后處理工藝繁瑣，需要高溫及有機(jī)溶劑除去模板劑。

1.4.2靜電紡絲法

靜電紡絲法是利用聚合物溶液在外加電場(chǎng)作用下形成射流，進(jìn)行連續(xù)紡絲加工的工藝，通過(guò)靜電力拉伸溶膠形成超細(xì)纖維的過(guò)程。該法實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)單、易操作、產(chǎn)物長(zhǎng)徑比大，但是納米纖維的強(qiáng)度較低，難以得到彼此分離的納米纖維長(zhǎng)絲或短纖維。

除了上述報(bào)道的各種制備方法外，另外還包括仿生合成法、微波輔助合成法、噴霧熱分解法等制備方法。

2結(jié)語(yǔ)

二氧化鈦是一種重要的無(wú)機(jī)功能材料，具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)特性，在很多等領(lǐng)域已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，二氧化鈦禁帶寬度較寬，只能被紫外光激發(fā)電子才能發(fā)生躍遷，太陽(yáng)光利用率低，且光生電子-空穴對(duì)容易復(fù)合等問(wèn)題嚴(yán)重制約了其在實(shí)際中應(yīng)用。因此，如何擴(kuò)寬二氧化鈦的光響應(yīng)范圍，降低光生電子和空穴的復(fù)合率，從而提高二氧化鈦的光催化活性并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊蔀槿藗兘窈笱芯康闹攸c(diǎn)。

（通訊作者：楊志廣）

基金項(xiàng)目：周口師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目（HXK201607）；周口師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（HYDC2016004）。

參考文獻(xiàn)

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篇8

[關(guān)鍵詞]極細(xì)金屬導(dǎo)體；關(guān)鍵配套材料；技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TB383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）20-0324-02

隨著新一代信息產(chǎn)業(yè)、航天航空以及醫(yī)療的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)、航天設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備等信息終端產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)高性能、小體積、輕重量的發(fā)展。人們對(duì)極細(xì)金屬信號(hào)傳輸導(dǎo)體和碳纖維表面涂覆金屬導(dǎo)體材料的研究越來(lái)越多，為了更好的實(shí)現(xiàn)極細(xì)金屬導(dǎo)體廣泛的應(yīng)用于新一代信息產(chǎn)業(yè)、航天航空以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中，本文對(duì)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料進(jìn)行研究有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和理論意義。

一、 極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料研究現(xiàn)狀

（一） 研究背景

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，網(wǎng)絡(luò)、航天設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備等信息終端產(chǎn)品其性能越來(lái)越高、體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，在一定程度上引領(lǐng)當(dāng)今時(shí)展的潮流，尤其是筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，推動(dòng)了時(shí)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。就極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料而言，趨于當(dāng)今時(shí)展的主題，人們對(duì)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料提出了更高的要求，從根本上對(duì)銅合金材料組成設(shè)計(jì)、冶煉以及金屬導(dǎo)體的電鍍等技術(shù)提出了更高的要求。

（二） 研究目的

本文對(duì)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料進(jìn)行研究，其主要的目的為了滿足當(dāng)今時(shí)代對(duì)新一代移動(dòng)終端的極細(xì)電纜提出了的更高要求，就目前而言，當(dāng)今時(shí)代對(duì)新一代移動(dòng)終端的極細(xì)電纜提出的要求一方面保證極細(xì)電纜在信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候不僅僅要有著優(yōu)異的耐彎曲性能和耐扭曲性，同時(shí)還要有著一定的抗震性能；另一方面則要求極細(xì)信號(hào)傳輸電纜有著相對(duì)較小的體積、相對(duì)較輕的質(zhì)量以及較快的傳送速度，同時(shí)還要有著較大的容量和較強(qiáng)的抗干擾能力?？傊畬?duì)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料進(jìn)行研究有一定的研究目的。

（三） 研究意義

金屬導(dǎo)體作為信號(hào)傳輸電纜的一種關(guān)鍵性材料，一方面不僅僅要有較小的直徑、較輕的質(zhì)量以及較強(qiáng)的抗氧化能力，同時(shí)在一定程度上還要便于焊接，而對(duì)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料進(jìn)行研究，為新一代信息技術(shù)的發(fā)展提供了一定的關(guān)鍵配套技術(shù)，同時(shí)從根本上提高了材料的使用壽命、可焊性以及抗氧化能力。總之，對(duì)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料進(jìn)行研究有一定的研究意義。

（三） 研究現(xiàn)狀

就目前而言，極細(xì)金屬導(dǎo)體生產(chǎn)量逐漸增多，但是雖然金屬導(dǎo)體的生產(chǎn)企業(yè)相對(duì)較多，但是就其實(shí)質(zhì)性而言，往往有著相對(duì)分散的技術(shù)。就我國(guó)極細(xì)金屬導(dǎo)體的生產(chǎn)而言，其技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的生產(chǎn)技術(shù)，我國(guó)金屬導(dǎo)體材料的直徑普遍為0.05m，有著相對(duì)不穩(wěn)定的性能，同時(shí)其合金材料的強(qiáng)度和電阻的指標(biāo)達(dá)不到要求。我國(guó)雖然有著人口龐大的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，13多億人，僅僅有65%使用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，而筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)的生產(chǎn)相對(duì)較低。近年來(lái)，人們對(duì)于極細(xì)金屬導(dǎo)體的研究越來(lái)越多，同時(shí)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料的應(yīng)用前景更加的廣泛。

二、 極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料主要技術(shù)

（一） 極線合金材料主要技術(shù)

就極線合金導(dǎo)體材料而言，主要有銀銅合金、錫銅合金以及錫銦銅合金三種，就錫銅合金而言，主要的成分配方為0.15%Sn/Cu、0.3%Sn/Cu、0.7%Sn/Cu，而銀銅合金主要的成分配方為2%Ag /Cu、4%Ag /Cu，錫銦銅合金的主要成分配方主要有0.9%Sn/0.2%In /Cu。同時(shí)通過(guò)對(duì)真空和過(guò)濾技術(shù)的采用，以及低溫強(qiáng)壓加工技術(shù)的結(jié)合，進(jìn)而保證了生產(chǎn)出的導(dǎo)體有著較少的雜質(zhì)和較穩(wěn)定的產(chǎn)品性能。

（二） 極細(xì)鍍銀、鍍錫銀銅合金、錫銅合金、錫銦銅合金導(dǎo)體精加工主要技術(shù)

往往這種主要技術(shù)是對(duì)直線式拉絲工藝的采用，從根本上對(duì)產(chǎn)品性能穩(wěn)定有著嚴(yán)格的保證。通過(guò)對(duì)拉絲模具孔徑結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，使得拉絲線徑有著一定的穩(wěn)定性精度，絞合導(dǎo)體則是通過(guò)恒張力退扭絞合工藝技術(shù)的采用，有效地實(shí)現(xiàn)了極細(xì)金屬導(dǎo)體向著高強(qiáng)高導(dǎo)、高抗軟化溫度、良好的成型性、高精密的尺寸精度等綜合性能優(yōu)良的方向發(fā)展。

（三） 碳纖維表面金屬涂覆加工方面的主要技術(shù)

嚴(yán)格的對(duì)化學(xué)鍍和電鍍工藝技術(shù)采用，從根本上使得導(dǎo)體鍍層的強(qiáng)度和結(jié)合率增加。

三、 極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料研究

（一） 極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料研究的內(nèi)容

在對(duì)極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料進(jìn)行研究的時(shí)候，主要針對(duì)合金導(dǎo)體材料及冶煉工藝、合金材料的復(fù)合形變與熱處理工藝、直徑0.025mm及以下極細(xì)導(dǎo)體加工工藝以及碳纖維絲表面金屬涂覆工藝技術(shù)作了主要的研究。在對(duì)高性能合金材進(jìn)行研究的時(shí)候，嚴(yán)格的控制熱處理與變形交互的單級(jí)或多級(jí)變熱處理制度，通過(guò)對(duì)各合金體系固溶、時(shí)效規(guī)律以及冷加工作用的掌握，從根本上對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)隨性變熱處理?xiàng)l件變化進(jìn)行一定的了解。對(duì)碳纖維表面金屬涂覆工藝技術(shù)研究的時(shí)候，注重碳纖維鍍前的表面處理方法和碳纖維電鍍和化學(xué)鍍鍍層相結(jié)合的工藝，從根本上提高金屬涂覆的質(zhì)量。

（二） 極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料的技術(shù)指標(biāo)

一般來(lái)說(shuō)，極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料技術(shù)指標(biāo)主要有合金材料的技術(shù)指標(biāo)、極細(xì)合金導(dǎo)體單絲技術(shù)指標(biāo)、極細(xì)合金導(dǎo)體表面鍍層技術(shù)指標(biāo)、極細(xì)合金絞合導(dǎo)體技術(shù)指標(biāo)以及碳纖維絲表面金屬涂覆技術(shù)指標(biāo)。，其技術(shù)要求如表1所示：

同時(shí)對(duì)于極細(xì)合金導(dǎo)體表面鍍層技術(shù)指標(biāo)而言，單絲線徑0.0098mm-0.025mm的極細(xì)合金導(dǎo)體表面電鍍銀、電鍍錫后的鍍層厚度為0.3-0.7um。就碳纖維絲表面金屬涂覆技術(shù)指示而言，單絲線徑0.0098mm-0.025mm的碳纖維絲表面鍍銀、鍍錫、鍍銅后的鍍層厚度為0.3-0.7um。

四、 極細(xì)金屬導(dǎo)體的制備

（一） 極細(xì)金屬導(dǎo)體制備工藝流程圖

極細(xì)金屬導(dǎo)體制備工藝技術(shù)流程圖如圖1 所示。

（二） 流程淺析

在對(duì)合金材料配方設(shè)計(jì)與金屬元素分析檢測(cè)上，首先就要對(duì)最佳合金成分進(jìn)行確定，其次就要對(duì)高純度原料進(jìn)行采用，保證合金材料加工之后的高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率和穩(wěn)定的性能。流程圖中多次用到了分析檢測(cè)，，同時(shí)還要從根本上處理電鍍前的表面，在無(wú)塵環(huán)境中進(jìn)行多道次減面拉伸，加工到單絲線徑0.025-0.012mm，最小加工到直徑0.0098mm，進(jìn)入下道進(jìn)行退扭絞合。由于導(dǎo)體強(qiáng)度大，絞合時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，一方面損傷導(dǎo)體性能，另一方面絞合成品率低。因此，本項(xiàng)目采用退扭恒張力放線技術(shù)和絞后退扭技術(shù)，去除絞線導(dǎo)體的內(nèi)應(yīng)力，確保導(dǎo)體質(zhì)量和提高產(chǎn)品合格率。

（三） 技術(shù)特點(diǎn)

極細(xì)金屬導(dǎo)體制備工藝過(guò)程中技術(shù)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在合金材料、電鍍工藝、拉絲形變工藝、中間回火處理工藝以及絞合工藝等關(guān)鍵技術(shù)上。一般來(lái)說(shuō)，合金材料的機(jī)械特性主要是從彈性變形改為塑性變形，就要從根本上對(duì)純度99.99%銅為基材，摻入銀、錫、銦等元素進(jìn)行鑄造，同時(shí)加入其他的雜質(zhì)在鑄造的過(guò)程中，但是，如果雜質(zhì)和氧含量控制不好，會(huì)嚴(yán)重影響合金材料的機(jī)械性能和電性能。電鍍工藝關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于提高高頻信號(hào)的傳輸特性有一定的積極影響。拉絲形變工藝關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在對(duì)拉絲設(shè)備、拉絲模具、拉絲液、運(yùn)行參數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)的控制，從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)拉絲的道次及速度控制。

（四）碳纖維表面金屬涂覆加工方案

一般來(lái)說(shuō)，碳纖維表面金屬涂覆加工方案首先就要對(duì)碳纖維絲進(jìn)行選材和分析檢測(cè)，其次就要進(jìn)行鍍前預(yù)處理，將通過(guò)前處理后的碳纖維絲首先通過(guò)化學(xué)方式進(jìn)行預(yù)鍍銀、錫、銅處理，然后再通過(guò)電鍍工藝進(jìn)行加厚鍍層，最后再分析檢測(cè)，并將表面通過(guò)金屬涂覆處理后的碳纖維絲進(jìn)行束絲絞合成電纜內(nèi)導(dǎo)體成品。

五、 極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)可以從以下幾點(diǎn)說(shuō)起：

第一、 在一定程度上產(chǎn)生了直徑0.025mm及以下的鍍銀、鍍錫銀銅合金、錫銅合金、錫銦銅合金極細(xì)導(dǎo)體兩大系列產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)極細(xì)合金鍍銀、鍍錫信號(hào)傳輸導(dǎo)體的中試目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)5噸的生產(chǎn)規(guī)模，年銷(xiāo)售收入實(shí)現(xiàn)5000萬(wàn)元，為今后產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

第二、 碳纖維表面涂覆同、銀、錫極細(xì)導(dǎo)體的加工技術(shù)更加的完善和成熟。

第三、 促進(jìn)我國(guó)國(guó)內(nèi)極細(xì)特種合金導(dǎo)體、替代進(jìn)口產(chǎn)品，提高我國(guó)極細(xì)導(dǎo)體產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)都將起到積極的推動(dòng)作用。

第四、 具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，如表2所示：

總而言之，極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料有著一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不僅僅一定的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)成果，同時(shí)也加強(qiáng)了人才隊(duì)伍的建設(shè)。

結(jié)語(yǔ)：

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，極細(xì)金屬導(dǎo)體關(guān)鍵配套材料在未來(lái)的發(fā)展中將會(huì)有著更加廣闊的應(yīng)用范圍，進(jìn)而帶來(lái)不可估量的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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篇9

關(guān)鍵詞:LED燈光;節(jié)能性;藝術(shù)性

中圖分類(lèi)號(hào):TK01+8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

一、LED燈光在照明領(lǐng)域的意義和現(xiàn)狀

LED燈光的產(chǎn)生在照明領(lǐng)域具有里程碑式的意義。隨著世界日益增加的能源消耗需求,石油、天然氣、煤碳等當(dāng)代世界主要能源資源的儲(chǔ)存量正在逐步減少,按照現(xiàn)在的開(kāi)采速度,石油和天然氣分別只有40多年和60多年的可采儲(chǔ)量。尋求新能源和再生能源的利用,開(kāi)發(fā)節(jié)能高效的技術(shù),受到了全球范圍的普遍重視。太陽(yáng)能光伏發(fā)電LED照明是新能源和節(jié)能技術(shù)的典型應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏發(fā)電將大自然中的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,提供給LED光源。由于LED光源的低電壓、節(jié)能和長(zhǎng)效的特征,太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用,將能實(shí)現(xiàn)很高的能源利用效率、工作可靠性和實(shí)用價(jià)值。因此,對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)控制技術(shù)的研究受到了各方面的重視。

二、LED燈光節(jié)能性的產(chǎn)生原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)組成高效節(jié)能的太陽(yáng)能光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池組、DC―DC變換器、最大功率跟蹤MPPT fMaximum power point tracking)控制、儲(chǔ)存電能的蓄電池組和LED照明控制、LED光源等部分。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)的工作原理是:在有太陽(yáng)光的時(shí)間段,太陽(yáng)能電池組將采集到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能;在控制系統(tǒng)的控制下,采用太陽(yáng)能光伏電池最大功率跟蹤(MPPT)方式,將電能儲(chǔ)存到蓄電池組中;在LED照明系統(tǒng)需要電能供電時(shí),向LED照明光源提供安全高效的電壓電流。使LED照明系統(tǒng)節(jié)能高效地工作,為人們的工作和生活提供潔凈環(huán)保的綠色照明。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電是利用太陽(yáng)能的主要方式之一。太陽(yáng)

能光伏電池的發(fā)電原理是光生伏特效應(yīng),對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō),開(kāi)路電壓的典型數(shù)值為0.5 0.6 V,通過(guò)光照在界面層產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)越多,形成的電流越大。界面層吸收的光能越多,同樣形成的電流也越大。目前應(yīng)用和研究的太陽(yáng)能電池主要有硅太陽(yáng)能電池、化合物半導(dǎo)體電池和染料敏化太陽(yáng)能電池。硅太陽(yáng)能電池是目前太陽(yáng)能光伏電池的主流,在硅太陽(yáng)能電池中以單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高,實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率達(dá)24%以上,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到18%以上。薄膜太陽(yáng)能電池近年來(lái)得到了很大的發(fā)展,多晶硅 }晶硅/微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池等新型太陽(yáng)能電池也已規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了16%以上。近年來(lái),對(duì)CIS,CIGS薄膜太陽(yáng)能電池、GaAs太陽(yáng)能電池等化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的研究也取得了實(shí)用化的進(jìn)展。染料敏化TiO 太陽(yáng)能電池的研究也取得了引人注目的成果。

由于太陽(yáng)能電池的輸出電壓和電流之間存在著非線性和可變性.在特定的環(huán)境下就存在一個(gè)最大‘功率輸出點(diǎn) ,以及與最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓 一和電流。當(dāng)環(huán)境變化時(shí),太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線也隨之變化.太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流的特性曲線見(jiàn)圖2。為了從太陽(yáng)能電池獲取盡可能多的電能,提出了太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤問(wèn)題。最大功率點(diǎn)跟蹤控制的常用方法有定電壓跟蹤

法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制法、負(fù)載電流/電壓最大法等整LED工作電流的方法可以采用恒流驅(qū)動(dòng)和恒壓驅(qū)動(dòng)。根據(jù)LED的伏安特性,在LE D的正向?qū)▍^(qū),微小的電壓波動(dòng)就會(huì)引起電流很大的變化,所以采用恒流驅(qū)動(dòng)是應(yīng)選方案。

三、LED燈光藝術(shù)性的具體表現(xiàn)

LED的發(fā)光原理。LED是由Ⅲ一V族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaAsP(磷化鎵砷)、A1GaAs(砷化鋁鎵)等半導(dǎo)體制成,其核心是P―N結(jié),因此它具有一般P―N結(jié)的伏一安特性,即正向?qū)?、反向截止、擊穿特性。?dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí),由于交界面處存在的載流子濃度差.于是電子和空穴都會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。這樣,P區(qū)一側(cè)失去空穴剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子,N區(qū)一側(cè)失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子.這些不能移動(dòng)的帶電粒子就是空間電荷?？臻g電荷集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近,形成了一很薄的空間電荷區(qū),就是P―N結(jié)。當(dāng)給P―N結(jié)1個(gè)正向電壓時(shí).便改變了P―N結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡。注入的少數(shù)載流子(少子)與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合時(shí),便將多余的能量以光的形式釋放出來(lái),從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。如果給PN結(jié)加反向電壓,少數(shù)載流子(少子)難以注入,故不發(fā)光。

白光LED的主要實(shí)現(xiàn)方法。目前,氮化鎵基LED獲得白光主要有:藍(lán)光LED+黃色熒光粉、三色LED合成白光、紫光LED+三色熒光粉3種辦法。最為常見(jiàn)形成白光的技術(shù)途徑是藍(lán)光LED芯片和可被藍(lán)光有效激發(fā)的熒光粉結(jié)合組成白光LED。LED輻射出峰值為470 nm左右的藍(lán)光,而部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出峰值為570 nm左右的黃綠光。與另一部分透射出來(lái)的藍(lán)光與激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的黃綠光混合產(chǎn)生Y l O :Ce 白光。目前采用的熒光粉多為稀土激活的鋁酸鹽Y l O :Ce (YAG),當(dāng)有藍(lán)光激發(fā)它時(shí)發(fā)出黃綠色光,所以稱(chēng)作黃綠色熒光粉。該方法發(fā)光,發(fā)光效率高,制備簡(jiǎn)單,工藝成熟。但色彩隨角度而變.光一致性差,而且熒光粉與LED的壽命也不一致,隨著時(shí)問(wèn)的推移,顯色指數(shù)和色溫都會(huì)變化,影響了發(fā)光光源的發(fā)光質(zhì)量。采用紅、綠、藍(lán)三原色LED芯片或三原色LED管混合實(shí)現(xiàn)白光。前者為三芯片型,后者為3個(gè)發(fā)光管組裝型。紅、綠、藍(lán)LED封裝在1個(gè)管內(nèi),光效可達(dá)20 lm/W,發(fā)光效率較高,顯色性好[31。不過(guò),這種合成白光方法的不足之處就是LED的驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜。三芯片型三原色混合成本較高,而且由于紅綠藍(lán)3種LED的光衰特性不一致,隨著使用時(shí)間的增加,三色的混合比例會(huì)變化.顯色指數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化紫外光或紫光LED激發(fā)三原色熒光粉,產(chǎn)生白光。采用這種方法更容易獲得顏色一致的白光,因?yàn)轭伾珒H僅由熒光粉的配比決定,此外,還可以獲得很高的顯色指數(shù)。但其最大的難點(diǎn)在于如何獲得高轉(zhuǎn)換效率的三色熒光粉,特別是高效紅色熒光粉.而且防止紫外線泄露也是很重要的。

結(jié)論

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口規(guī)模的迅速膨脹,致使能源的消耗量不斷增大, 城市的發(fā)展緊跟著“高能耗”,能源的供需矛盾日益突出,能源短缺將嚴(yán)重阻礙城市未來(lái)的發(fā)展。半導(dǎo)體照明光源是一個(gè)具有巨大市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步。半導(dǎo)體照明光源的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒀杆贁U(kuò)大。在未來(lái)的5―10年,它將成為照明產(chǎn)業(yè)的主力軍.它將改變?nèi)藗儗?duì)照明的認(rèn)識(shí)。發(fā)展個(gè)性化照明理念,無(wú)疑是照明領(lǐng)域的一次革命。同時(shí)。我們必須科學(xué)分析、冷靜面對(duì)半導(dǎo)體照明帶來(lái)的歷史機(jī)遇,制訂科學(xué)的發(fā)展規(guī)劃,使得半導(dǎo)體照明得到健康的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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篇10

關(guān)鍵詞：氧敏； 半導(dǎo)化； 氧空位； SrTiO3功能材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TN304-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)20-0150-03

Preparation of Voltage Sensitive Capacity Element with Double Functions

HAO Yun-fang1, Cao Quan-xi2

(1. School of Electronic Information Engineering, Peihua University, Xi’an 710065, China；

2. School of Technical Physics, Xidian University, Xi’an 710071, China)

Abstract： The roles and effects of oxygen vacancy in perovskite oxide functional materials were researched. The SrTiO3 specimens with different additive were prepared. The n-type semiconductive component with double functions, capacitor and varistor were sintered in reducing atmosphere, and the p-type oxygen sensors were prepared in normal atmosphere. The electronic performance parameters, as breakdown voltage V1mA, were measured for varistor. It was measured for p-type oxygen sensors, dependence of resistance on temperature, and the desorbed oxygen on the specimens by means of TPD. Some research results are shown as follows. The oxygen vacancy is important condition for additions diffusion in perovskite crystal, so the oxygen vacancy must be controlled in order to prepare perovskite semiconduction oxide functional ceramic components. It is n-type semiconductor if oxygen vacancies are the result from reducing at atmosphere sinter. It is clear also that the partial substitution of acceptor addition brings about a p-type semiconductor and an increase in oxygen vacancies, resulting in an increase in oxygen exchange simultaneously between specimen and ambient. Therefore, it is possible to obtain SrTiO3 component exhibiting high oxygen sensitivity.

Keywords： oxygen sensitivity; semiconducting; oxygen vacancy; SrTiO3 functional material

0 引 言

由于鈣鈦礦（ABO3）型陶瓷在超導(dǎo)、鐵磁、鐵電、磁阻、介電、敏感等領(lǐng)域具有獨(dú)特的性能，使其成為人們關(guān)注的重點(diǎn)電子功能材料之一［1］。鈦酸鍶（SrTiO3）屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。P型SrTiO3陶瓷具有對(duì)氧氣敏感的特性。N型SrTiO3陶瓷具有壓敏、電容的雙功能特性，所制備的環(huán)形元件可用于直流微型電機(jī)的消噪和過(guò)電壓保護(hù)，所制備的片狀元件可用于電源系統(tǒng)消除尖峰脈沖，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。在鈣鈦礦材料的半導(dǎo)化過(guò)程中，氧空位起著重要的作用，因此有必要對(duì)氧空位的形成和影響進(jìn)行深入的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

以SrCO3，TiO2和Mg(OH)2•4MgCO3•6H2O為原料高溫合成Sr(MgxTi1-x)O3,其中x代表摩爾比，所合成的不同配方的原料與有機(jī)載體均勻混合，分別涂敷到帶有鉑電極和引線的Al2O3陶瓷基片上，烘干后在1 200 ℃，空氣中燒結(jié)3小時(shí)制成P型半導(dǎo)化的厚膜式氧敏元件。所制備的樣品在不同溫度下測(cè)試了阻-溫特性和氧敏特性，考察了它的半導(dǎo)化特性。

用程序溫度脫附法［2-3］（Temperature Programmed Desorption,TPD）測(cè)試氧脫附特性。樣品置于樣品管中，程序升溫氧化到850 ℃，恒溫1 h，在氧化氣氛中降溫至室溫，然后在高純氮（純度為99.99%）中進(jìn)行TPD至850 ℃，脫附量由與比表面積測(cè)量?jī)x中類(lèi)似的熱導(dǎo)池檢測(cè)。

以SrCO3，TiO2，Nb2O5，La2O3，Bi2O3，Co3O4和MnCO3等為原料，經(jīng)球磨，造粒，壓片后制成直徑D＝7 mm的生片，在75 mol％的H2，25 mol%的N2的強(qiáng)還原條件下1 400 ℃燒結(jié)4 h，再經(jīng)涂燒電極制成N型半導(dǎo)化的壓敏、電容雙功能元件。測(cè)試了壓敏電壓U1mA，非線性系數(shù)α，電容量C，損耗角正切tg δ等參數(shù)，也考察了它的半導(dǎo)化特性。

2 結(jié)果和討論

2.1 氧空位是雜質(zhì)擴(kuò)散、實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體化的重要條件

如圖1所示，完整的ABO3型晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以BO3氧八面體形成共頂點(diǎn)的骨架，原子排列均勻致密，雜質(zhì)的固熔限一般都很低。例如，在純凈的SrTiO3中TiO2的固熔限小于0.5 mol%,SrO的固熔限小于0.2 mol%，Nb2O5的固熔限小于0.4 mol%。完整的SrTiO3晶體的禁帶寬度約為Eg=3.3 eV［4-5］,即可以認(rèn)為在常溫下SrTiO3是絕緣體。為了實(shí)現(xiàn)SrTiO3半導(dǎo)化，最常用的方法是進(jìn)行摻雜。由于鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不易形成填隙缺陷。不論是N型摻雜還是P型摻雜，均是雜質(zhì)替位，其前提條件是雜質(zhì)原子要實(shí)現(xiàn)在基體材料中的擴(kuò)散。完整SrTiO3晶體的雜質(zhì)固熔限低，雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)也很小。實(shí)驗(yàn)證明，完整的SrTiO3晶體是很難實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化的。與金屬原子空位相比，形成氧空位的形成能較低，在工藝上也較易實(shí)現(xiàn)，因此氧空位成為在SrTiO3晶體中雜質(zhì)擴(kuò)散、實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化的重要條件。

圖1 ABO3晶體結(jié)構(gòu)

在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料中氧原子擴(kuò)散的主要形式為“空位機(jī)制”，即氧原子的擴(kuò)散是以氧空位的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。若一個(gè)氧原子要實(shí)現(xiàn)一次擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的必要條件一是其周?chē)醒蹩瘴?，二是具有一定的能量。空位機(jī)制的擴(kuò)散系數(shù)可表示為：

ИD=D0e－(U+E)/kT＝D0e－ΔE/kT＝D0e－ΔQ/RTИ

式中：D0表示空位擴(kuò)散的頻率系數(shù)；U表示空位形成能；E表示空位遷移一次所需越過(guò)的勢(shì)壘高度；ΔE表示空位擴(kuò)散激活能；RП硎酒體普適常數(shù)。

由于具體實(shí)驗(yàn)中測(cè)試工作的復(fù)雜性，目前所報(bào)道的在SrTiO3單晶中氧擴(kuò)散激活能在89～145 kJ/mol之間［6-9］，且氧的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于鍶和鈦的擴(kuò)散速率。在多晶樣品中，由于在晶界區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，存在大量的缺陷，使晶界成為擴(kuò)散的“快通道”，所以同種材料的多晶樣品比單晶樣品的擴(kuò)散速率大得多。

但當(dāng)氧空位較多時(shí)，BO6氧八面體可能變形，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)從立方晶系向四方晶系或正交晶系轉(zhuǎn)變。當(dāng)不同氧空位有序相發(fā)生轉(zhuǎn)變和BO6氧八面體的不同連接相發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，鈣鈦礦氧化物中的氧含量也發(fā)生相應(yīng)的變化。例如，共頂點(diǎn)連接變成共邊或共面連接時(shí)，可能引起氧八面體的破裂。為了維護(hù)ABO3-Y型晶體的基本結(jié)構(gòu)框架，氧空位的最大含量\Ymax=1。

2.2 產(chǎn)生氧空位的方法和途徑

2.2.1 還原氣氛燒結(jié)

在制備SrTiO3氧敏-電容雙功能陶瓷的研究過(guò)程中，為了提高晶粒的半導(dǎo)化程度，降低壓敏電壓U1mA,必須提高材料中的氧空位濃度。為此，把材料在液氨（NH3•H2O）分解的強(qiáng)還原氣氛下高溫（1 400 ℃）燒結(jié)4 h，其準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)式為：

ИO×O12O(g)O+V••O+2e′（1）И

由式（1）可知，氧空位不但為其他高價(jià)雜質(zhì)Nb5+，La3+的擴(kuò)散創(chuàng)造了必要的通路，而且氧空位為導(dǎo)帶提供了導(dǎo)電電子，本身就是N型半導(dǎo)化的措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若不采取強(qiáng)還原氣氛燒結(jié)，幾乎不可能制備N(xiāo)型高半導(dǎo)化的陶瓷（例如，壓敏電壓U1mA≤10 V的壓敏元件）。

2.2.2 受主摻雜

在ABO3型結(jié)構(gòu)中，如在SrTiO3中以B位替位為例，當(dāng)SrTi=1時(shí)，施主B替位和受主B替位分別為：

И4SrO+2Nb2O54Sr×Sr+4Nb•Ti+12O×O+O2+4e′(2)

SrO+MgSr×Sr+Mg″Ti+2O×O+V••O(3)И

當(dāng)Sr/Ti>1時(shí)，施主B替位和受主B替位分別為：

И5SrO+2Nb2O55Sr×Sr+4Nb•Ti+V4－Ti+15O×O(4)

2SrO+MgO2Sr×Sr+Mg″Ti+V4－Ti+3V••O+3O×O(5)И

當(dāng)Sr/Ti

ИSrO+Nb2O5Sr×Sr+2Nb•Ti+V••Sr+6O×O (6)

SrO+2MgOSr×Sr+2Mg″Ti+V••Sr+3V••O+3O×O(7)И

比較式(2)~(6)可知，在ABO3型結(jié)構(gòu)中，不論原子計(jì)量比A/B是否等于1，受主雜質(zhì)均可產(chǎn)生氧空位。一般認(rèn)為只有在低溫（例如低于550 ℃）［10］時(shí)氧空位以單價(jià)電離V•O為主，在高溫下以二價(jià)電離V••O為主。氧空位的出現(xiàn)使氧八面體畸變，這樣反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步增加了受主雜質(zhì)的固熔限，這樣在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料中，若未采用強(qiáng)還原燒結(jié)，受主雜質(zhì)的固熔限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于施主雜質(zhì)。當(dāng)材料中產(chǎn)生了大量的氧空位時(shí)，在高溫下環(huán)境中的氧原子又會(huì)向晶體內(nèi)擴(kuò)散，如下式所示：

И12O(g)O+V••OO×O+2h•（8）И

在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，這就是高半導(dǎo)化的P型鈣鈦礦型材料并不需要在強(qiáng)氧化條件下燒結(jié)（正常大氣下燒結(jié)即可），而高半導(dǎo)化的N型鈣鈦礦型材料必須在強(qiáng)還原條件下燒結(jié)的物理原因。

另外，比較式（2）和（4）可知，當(dāng)Sr/Ti≠1時(shí)，均產(chǎn)生金屬空位，此時(shí)施主摻雜產(chǎn)生的電子被金屬空位所吸收，即產(chǎn)生原子補(bǔ)償。所以當(dāng)Sr/Ti=1時(shí)，施主摻雜的效率才比較高。

2.2.3 Schottky缺陷形成氧空位

由于在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料中形成填隙缺陷的幾率很低，所以點(diǎn)缺陷以Schottky缺陷為主，Schottky缺陷由于熱運(yùn)動(dòng)體內(nèi)原子遷移到表面，體內(nèi)留下空位。若體內(nèi)的氧原子和鍶原子均遷移的表面，形成表面SrO，其準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)式可寫(xiě)成：

ИO×O+Sr×SrV″Sr+V••O+SrO(9)И

體內(nèi)同時(shí)生成鍶離子空位和氧離子空位。

2.3 受主摻雜產(chǎn)生的氧空位促進(jìn)環(huán)境氧與晶格氧的交換，提高了鈣鈦礦型氧敏元件的靈敏度

TPD測(cè)試結(jié)果如圖2所示。在400～800℃之間，氧脫附量隨受主雜質(zhì)Mg2+濃度的上升而上升。這可認(rèn)為，式（3），（5），（7）的反應(yīng)產(chǎn)生的大量氧空位促進(jìn)了式（8）反應(yīng)的進(jìn)行，即促進(jìn)了環(huán)境氧與晶格氧的交換。這種交換使材料價(jià)帶的空穴密度上升，當(dāng)然對(duì)材料的電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，進(jìn)而使氧敏元件的靈敏度上升。

該結(jié)果同時(shí)也說(shuō)明，SrTiO3鈣鈦礦型氧敏元件的靈敏度，不僅取決于材料表面化學(xué)吸附氧的多少，而且與環(huán)境和材料體內(nèi)氧交換的多少有關(guān)。為了提高氧靈敏度，不但要降低化學(xué)吸附氧的激活能，而且要增大體內(nèi)氧空位濃度，提高氧在材料中的擴(kuò)散系數(shù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

氧空位是在SrTiO3晶體中雜質(zhì)擴(kuò)散、實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化的重要條件，因此控制氧空位的濃度成為制備半導(dǎo)體型功能陶瓷元件的重要因素；還原氣氛燒結(jié)產(chǎn)生的氧空位是材料實(shí)現(xiàn)N型半導(dǎo)化的重要手段； 受主摻雜產(chǎn)生的氧空位促進(jìn)了環(huán)境氧與晶格氧的交換，是材料實(shí)現(xiàn)P型半導(dǎo)化的重要手段,也提高了鈣鈦礦型氧敏元件的靈敏度。

圖2 不同濃度Mg 摻雜的TPD譜

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